氣敏傳感器及報(bào)警系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李智敏，張茂林，閆養(yǎng)希，黃云霞，孫 鵬

(西安電子科技大學(xué) 先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院，陜西 西安 710071)

敏感功能材料與器件是電子信息類和材料類專業(yè)一門重要的專業(yè)課程。傳感器技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。隨著現(xiàn)代材料和器件制備工藝以及電子信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器的制備和應(yīng)用技術(shù)也得到極大改進(jìn)[1]。然而，傳感器課程相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)卻面臨一定問題。

材料類專業(yè)強(qiáng)調(diào)敏感材料的工作機(jī)理，忽視其制備工藝和后續(xù)應(yīng)用，甚至沒有相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2]。由于忽視了傳感器在實(shí)際制備過程中性能的改進(jìn)方法、劣化及失效機(jī)理等實(shí)際工程問題，使得學(xué)生的思維習(xí)慣受到束縛，為以后的實(shí)際運(yùn)用埋下隱患[3]。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大部分屬半定量或定性實(shí)驗(yàn)方法且以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主[4]，學(xué)生完全按教師和實(shí)驗(yàn)講義要求的內(nèi)容、步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)和機(jī)械操作的狀態(tài)，遏制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的邏輯思維和創(chuàng)造性思維[5－6]。實(shí)驗(yàn)課程缺少激勵(lì)機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

電類專業(yè)強(qiáng)調(diào)傳感器的信號(hào)采集及應(yīng)用，僅將傳感器當(dāng)作一個(gè)信號(hào)源或者多采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真、計(jì)算。計(jì)算機(jī)平臺(tái)的電路仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠通過相關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)拾取、分析和其他功能的擴(kuò)展，具有界面直觀、友好、容易操作的優(yōu)點(diǎn)[7－8]。但是，對(duì)于傳感器的工作機(jī)理卻語焉不詳，導(dǎo)致在故障電路的分析討論中忽視傳感器的源頭地位。

因此，本實(shí)驗(yàn)面向電子信息專業(yè)中材料類方向的高年級(jí)本科生，以敏感材料為起點(diǎn)，通過完整的厚膜工藝，制備氣敏半導(dǎo)體傳感器，體現(xiàn)專業(yè)特色。同時(shí)，在傳感器的基礎(chǔ)上，開發(fā)后續(xù)電子線路與電子信息的特色相結(jié)合，將氣敏傳感器及其后續(xù)電路用于氣體濃度控制或者危險(xiǎn)氣氛的報(bào)警，產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用效果，激勵(lì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情[9]。

1 傳感器制備

本實(shí)驗(yàn)選用SnO2或者TiO2等半導(dǎo)體電阻型氣敏材料，采用厚膜工藝制備氣敏傳感器。半導(dǎo)體電阻型氣敏材料具有電阻隨著外界環(huán)境中氧分壓的變化而改變的特性，表達(dá)式如下所示[10]:

式中，R是傳感器電阻，E是活化能，T是工作溫度，PO是環(huán)境氧分壓，A和m是與材料有關(guān)的常數(shù)。該類型傳感器不需要參考電極，可以在電路中視為一個(gè)隨環(huán)境變化的可變電阻，其工作機(jī)理如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體電阻型氣敏材料的工作機(jī)理，吸附氧氣前后的能帶狀態(tài)變化示意圖[11]

厚膜工藝是將有機(jī)介質(zhì)和功能性粉末混合形成漿料，通過絲網(wǎng)印刷工藝印制到絕緣基板后，經(jīng)燒結(jié)工藝形成的功能性薄膜器件的過程。該工藝具有元件的參數(shù)范圍廣、精度高，性能穩(wěn)定可靠，元件間絕緣性能好，易于制造出高壓、大電流電路，而且電路設(shè)計(jì)靈活，器件一致性好，價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低，適于自動(dòng)化和多品種小批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)通過厚膜工藝制備TiO2敏感層，采用市售標(biāo)準(zhǔn)器件封裝外殼，經(jīng)一系列封裝過程，最終形成通用氣敏傳感器，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 TiO2氣敏傳感器的制備流程示意圖

在該部分實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成基本內(nèi)容，即通過絲網(wǎng)印刷制備厚膜氣敏器件。將制備好的傳感器，置于CGS－8型智能氣敏分析系統(tǒng) (北京艾立特科技有限公司)中，測(cè)試其氣敏特性。金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度隨著被測(cè)氣體濃度變化的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 不同工作溫度下金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器(SnO2)電阻隨被測(cè)氣體H2濃度變化的典型曲線[12]

2 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于半導(dǎo)體電阻型氣敏材料的電阻隨著外界環(huán)境氣體濃度的變化而改變的原理，將所制備TiO2氣敏傳感器用于對(duì)CO和H2等可燃性氣體的監(jiān)測(cè)報(bào)警。由于學(xué)生所制備的傳感器個(gè)體差異較大，需首先對(duì)前期所制備的氣敏傳感器響應(yīng)特性進(jìn)行標(biāo)定，即傳感器電阻值隨CO或H2等被測(cè)氣體濃度的變化曲線關(guān)系。在設(shè)定氣體濃度報(bào)警閾值時(shí)，可通過電阻值進(jìn)行表征，進(jìn)一步在電路中可以通過電壓信號(hào)進(jìn)行反饋[13]。

具體報(bào)警電路設(shè)計(jì)，可選用不同的模塊和軟硬件控制方法，開放性強(qiáng)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)發(fā)揮空間巨大。若僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單報(bào)警功能，甚至可簡(jiǎn)化為一個(gè)串聯(lián)電路；而若需實(shí)現(xiàn)報(bào)警、控制、顯示等復(fù)雜功能，則需要采用單片機(jī)等較為復(fù)雜的芯片模塊。對(duì)學(xué)生而言，具有相互競(jìng)爭(zhēng)比較的樂趣，實(shí)驗(yàn)更具挑戰(zhàn)性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)推薦系統(tǒng)所涉及的主要功能是:通過所制備氣敏傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境氣體濃度變化，當(dāng)達(dá)到設(shè)定報(bào)警閾值時(shí) (傳感器所對(duì)應(yīng)電阻)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，并顯示相應(yīng)氣體濃度。整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、單片機(jī)控制、液晶顯示和聲光報(bào)警系統(tǒng)5個(gè)部分，其原理圖如圖4所示。

圖4 可燃性氣體報(bào)警系統(tǒng)電路原理圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種采用厚膜法制備氣體傳感器，并將所制備傳感器進(jìn)行封裝、標(biāo)定，最后用于可燃性氣體報(bào)警系統(tǒng)中的開放性綜合實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)涉及敏感材料工作機(jī)理、器件厚膜制備工藝、單體傳感器封裝、模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)等多方面的理論知識(shí)和實(shí)踐技巧，具有綜合性和開放性的特點(diǎn)。通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的復(fù)習(xí)、理解、深入掌握和靈活運(yùn)用，同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的能力、分解解決問題和協(xié)作能力，更大程度激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作能動(dòng)性，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生解決綜合性復(fù)雜工程問題的能力。

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